科研成果
揭示甲烷供给量是影响冷泉微生物群落多样性和组成的关键因素
Published：2022-11-22
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近日，上海交通大学深部生命国际研究中心博士后牛明杨和海洋学院长聘教轨助理研究员邓龙辉在生态学国际知名期刊Molecular Ecology，以共同第一作者发表了题为“Methane supply drives prokaryotic community assembly and networks at cold seeps of the South China Sea”的研究论文，上海交通大学海洋学院/深部生命国际研究中心王风平教授和同济大学海洋与地球科学学院李江涛教授为共同通讯作者。上海交通大学为第一和通讯单位，同济大学为共同通讯单位。
冷泉是富含甲烷等烃类化合物的流体由沉积物深部向表面渗漏或者喷发形成的特殊地质构造。这些有机质流体为周围的生物提供物质和能量，形成了海底“生命绿洲”。冷泉也是海底释放甲烷的主要区域，冷泉沉积物中有大量嗜甲烷微生物，据估算这些微生物能够消耗20-80%从海底释放出来的甲烷，对调控全球气候变化起着至关重要的作用。冷泉沉积物中微生物多样性受地理、地化和生物因素影响，目前对调控其多样性、群落构建机制和相互作用的关键因素还不清楚。本研究在南海北部陆坡区两个活跃冷泉（海马和Site F）的不同区域采集了11根插管沉积物柱（共分为96个样品，图1），结合地球化学分析、模型计算和16S rRNA基因高通量测序的方法对冷泉微生物多样性、群落构建机制和相互作用进行了系统的解析。
图1. Site F和海马冷泉的地理位置和沉积物柱采样位点。A）两个活动冷泉的地理位置；B，C）分别为Site F和海马冷泉采样位点；D）两个冷泉不同生境采样照片
本研究结合排序分析和多元方差分析，系统性地分析了甲烷供给量、地理位置、生物覆盖类型和沉积物深度等因素对冷泉微生物多样性和群落组成的影响。结果显示在这几类因素中，甲烷供给量对冷泉沉积物中微生物群落多样性和组成的影响最为显著，表明甲烷供给量是控制区域尺度内冷泉沉积物中微生物群落多样性的关键因素。
不同甲烷供给组中，厌氧氧化甲烷古菌（ANME）的多样性具有明显差异（图2）。ANME-1主要分布在高甲烷供给组，其相对丰度占ANME总丰度的60%以上；而低甲烷供给组中，ANME-2和ANME-3是优势类群，其相对丰度占ANME总丰度的90%以上。与此同时，硫酸盐还原细菌（SRB）类群中SEEP-SRB1和SEEP-SRB2在高甲烷供给组中是主要的硫酸盐还原细菌，而unclassified Desulfobulbaceae是低甲烷供给组的主要类群。此外，本研究首次采用了基于系统进化分类的零模型对微生物群落的构建过程进行定量分析，结果显示在高甲烷供给组，同质性选择过程是微生物群落的主要构建过程。随着甲烷供给量减少，扩散限制和漂变成为主要构建过程（图2）。
图2. 概念图总结了南海冷泉沉积物中不同甲烷供给量对微生物群落的多样性、组装过程和网络稳定性的影响。
共现网络分析显示，高甲烷供给组中各节点的连接更为紧密，正连接的数量显著高于负连接，表明群落中不同微生物之间以共生或者协同作用为主。这也导致高甲烷供给组共现网络的稳定性最低。随着甲烷供给量减少，共现网络的稳定性逐渐升高（图2）。
本研究为深入理解冷泉沉积物中微生物多样性、分布规律及群落构建机制提供了新的科学认识和见解，有助于进一步揭示甲烷供给量对微生物群落生态功能的影响。
参考文献：
Niu, M., Deng, L., Su, L., Ruff, S. E., Yang, N., Luo, M., Qi, Q., Li, J., & Wang, F. (2022). Methane supply drives prokaryotic community assembly and networks at cold seeps of the South China Sea. Molecular Ecology, 00, 1– 20.